近日，北京理工大学物理学院/光电学院李家方教授、姚裕贵教授团队与中国科学技术大学刘之光教授、北京理工大学光电学院王涌天教授、刘娟教授团队以及材料学院靳柯教授团队合作，在硅基纳米剪纸技术领域取得重要突破，实现了对硅基微纳结构塑性、弹性和滞性形变行为的精准调控，并成功展示了阵列结构的光学信息加密显示功能。该创新成果发表在《自然》子刊Nature Communications上。
剪纸作为最古老的中国民间艺术之一，近年来在纳米制造、结构调控等领域引起广泛关注。北京理工大学李家方教授带领研究团队2018年首创纳米剪纸三维微纳制造技术[Sci. Adv. 4, eaat4436]，2021年发展纳米光机电调控新机制[Nat. Commun. 12, 1299]，2024年实现纳米剪纸转子光电镊自由操控[Sci. Adv. 10, eaat1299]，及至2025年突破硅基纳米剪纸技术[Nat. Commun. 16, 5512]，持续推动了该领的发展，形成了一条从基础研究到应用开发的完整技术路线。
在这一研究进程中，开发更具实用价值的纳米剪纸结构是一个重要挑战。绝缘体上硅（SOI）因其优异的CMOS工艺兼容性和成熟的产业化优势，是当代集成光电子领域最重要的半导体材料之一。鉴于此，研究团队自2019年开始将硅基微纳形变结构作为重点攻关方向，经过多年摸索成功掌握了硅基纳米剪纸技术，突破了纳米剪纸结构在金属材料方面的性能限制。
图1.硅基纳米剪纸结构形变调控。(a)基于绝缘体上硅（SOI）衬底的纳米剪纸结构微纳制造流程。(b)聚焦离子束（FIB）辐照诱导的双向塑性形变。(c)机械力或静电力作用下可瞬时恢复的弹性形变。(d)电压驱动下的滞性形变。比例尺：1µm。
本工作揭示了硅基纳米剪纸结构在同一材料平台上实现塑性、弹性和滞性形变模式的独特能力和精准可控特性，为智能微纳器件开发提供了新思路。通过将精密纳米剪纸工艺与SOI平台相结合（图1），不仅延续了团队在纳米剪纸领域的技术积累，更突破了传统金属材料的性能限制，为开发具有多样化变形能力的新型微纳器件开辟了道路（图2）。
图2.多种硅基纳米剪纸结构在聚焦离子束（FIB）辐照前后的SEM图像。比例尺：1μm。
在塑性形变方面，研究团队提出基于镓离子注入与硅空位诱导的非对称分布及饱和效应等新机理，突破了传统两段式形变理论的局限，首次实现了具有双反转特征的三段式塑性形变，揭示了剂量依赖的合成力矩对结构形变方向的决定性作用，为深入理解硅材料的塑性形变机制奠定了重要理论基础。在可逆弹性形变方面，研究团队基于机械力或静电力驱动机制，设计了一种高弹性的网状纳米弹簧结构，可实现低至10 nN的力学响应（图3）。在滞性形变方面，研究团队设计了一种平面弹簧结构，首次观察到静电力驱动下的反常滞后形变现象，即断电后近乎复原的二维平面结构自发形变至三维状态的现象（图4）。
图3.硅基网状纳米弹簧结构的弹性形变特性。
图4.硅基纳米剪纸结构的滞后形变特性。
图5.硅基纳米剪纸结构应用于光学信息编码和加密显示的概念演示。比例尺：10μm。
硅基纳米剪纸结构精确可控的弹性及滞后形变模式，为动态光学信息编码和加密显示提供了新的技术途径。为验证这一概念，研究团队设计了多种刚度不同的螺旋结构并进行编码，采用“幅值”、“时长”、“时序”多参量调控驱动电压，成功实现了多种模式的信息加密与光学显示（图5）。这种滞后效应与刚度设计的协同作用，为发展动态信息加密与光学显示技术提供了新策略。
硅基纳米剪纸技术的突破具有重要的里程碑意义，极大地提高了纳米剪纸技术的CMOS工艺兼容性和产业化进程。研究团队首次观测到的多种形变模式协同共存的现象，深化了学界对外场激励下硅材料力学行为的认知。研究表明，通过“可编程力学响应编码”技术路线，可精确实现形变模式的选择性激活和时序控制，有助于推动微纳光机电系统、微纳传感器、精密机械和忆阻器等领域的创新发展。北理工博士生梁清华、中科大刘之光教授、北理工韩遇博士为论文的共同第一作者，北理工李家方教授为论文的通讯作者。研究团队感谢北京理工大学分析测试中心、怀柔综合极端条件实验装置（SECUF）微纳加工实验室等给予的支持与帮助。该交叉学科研究工作得到了国家自然科学基金（基础科学中心、国家杰出青年基金和面上项目）、国家重点研发计划等项目的支持。
文章信息（#为共同一作；*为通讯作者）：
Qinghua Liang#, Zhiguang Liu#,Yu Han#, Shang Chen, Haozhe Sun, Yingying Chen, Yongyue Zhang, Meihua Niu, Chongrui Li, Yang Wang, Ke Jin, Yongtian Wang, Yugui Yao1, Juan Liu and Jiafang Li*, “Silicon nano-kirigami with controlled plastic, elastic and hysteretic deformations”, Nat. Commun. 16, 5512 (2025).
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-61405-w
